高性能网络虚拟化环境下动态中断频率协同控制技术研究

发布时间：2017-10-19 08:36

  本文关键词：高性能网络虚拟化环境下动态中断频率协同控制技术研究

  更多相关文章： 高性能网络 虚拟化 网络I/O虚拟化 SR-IOV NAPI 中断频率控制

【摘要】：当前数据中心对于高数据吞吐量和实时数据处理的需求推动了高性能网络的发展,作为数据中心基础之一的虚拟化技术也正受到网络发展的影响。如何提高虚拟机在高性能网络环境下的I/O性能一直是虚拟化平台的一大挑战。单根I/O虚拟化(SR-IOV)标准是PCI-SIG组织制定的硬件辅助I/O设备虚拟化解决方案,因其在高性能网络虚拟化环境下的适用性而得以推广。SR-IOV标准采用I/O设备直接分配的方式,消除了虚拟机监视器复制数据包所带来的性能开销,实现了接近物理机的I/O性能。然而,在高性能网络环境下大量数据包所导致的中断处理开销成为了虚拟机网络I/O性能的瓶颈,即使采用NAPI等中断控制技术仍然不足以缓解大量中断所带来的压力。本文首先研究了采用SR-IOV标准的10G以太网卡通过NAPI与中断抑制进行中断频率协同控制的技术。实验证明,网卡原有控制方案在高负载情况下无法达到最佳性能,其主要原因在于设置了固定的中断频率而无法适应多样化应用场景的不同负载。针对这一问题,本文提出了负载自适应的动态中断频率协同控制优化方案,保证系统响应时间的同时最大化系统的吞吐率。优化方案在高负载情况下根据系统CPU资源使用情况动态调整中断频率,使系统吞吐率最大化。本文基于对网络吞吐率的数学模型分析,在系统中断不足和中断冗余时采用不同的中断频率控制方式,确保系统在不同负载并发度下都能有效利用CPU资源,达到最优的网络吞吐率。除此之外,优化方案还设计了自适应的算法切换机制。该机制根据系统负载选择不同控制算法,在低负载情况下采用原有控制方案的控制模式,使系统能达到最快的响应速度。本文实现了基于该优化方案的控制系统,并进行了全面的测试评估。测试结果表明,动态中断频率协同控制优化方案可以适用于不同的应用场景,在充分利用CPU资源和保证系统响应速度的同时最多可提升15%的网络吞吐率。
【关键词】：高性能网络 虚拟化 网络I/O虚拟化 SR-IOV NAPI 中断频率控制
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP302;TP308
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 高性能网络11-12
• 1.2 系统虚拟化的特点及实现技术12-18
• 1.2.1 系统虚拟化技术的特点13-15
• 1.2.2 系统虚拟化实现方式与相关技术15-18
• 1.3 本文的研究内容及结构安排18-21
• 1.3.1 本文的研究内容18-19
• 1.3.2 本文的结构安排19-21
• 第二章 网络I/O虚拟化及中断处理21-33
• 2.1 网络I/O设备虚拟化解决方案21-25
• 2.1.1 完全虚拟化方案21-22
• 2.1.2 类虚拟化方案22-23
• 2.1.3 硬件辅助虚拟化技术23-24
• 2.1.4 SR-IOV标准24-25
• 2.2 x86系统的中断处理25-29
• 2.2.1 物理机环境下中断处理25-27
• 2.2.2 虚拟化环境下中断处理27-28
• 2.2.3 Linux内核NAPI接28-29
• 2.3 相关研究工作29-31
• 2.3.1 I/O虚拟化优化工作30
• 2.3.2 x86系统中断处理优化30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 中断频率协同控制的优化33-43
• 3.1 中断频率协同控制技术33-34
• 3.2 网卡性能测试与分析34-37
• 3.3 中断频率协同控制量化分析37-40
• 3.4 动态中断频率协同控制的优化40-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 动态中断频率协同控制优化实现方法43-51
• 4.1 协同控制系统总体流程43
• 4.2 负载统计与算法选择模块43-46
• 4.3 低负载控制模块46
• 4.4 高负载控制模块46-48
• 4.5 中断频率设置模块48-49
• 4.6 本章小结49-51
• 第五章 实验与分析51-61
• 5.1 实验环境51-52
• 5.2 测试工具与测试方案52-53
• 5.3 Netperf测试结果与分析53-57
• 5.4 Memaslap测试结果分析57-59
• 5.5 本章小结59-61
• 第六章 全文总结与展望61-63
• 6.1 总结61
• 6.2 后续研究工作61-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文68-70

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本文编号：1060122